空间滤波测速发展和滤波效应探究

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1、空间滤波测速发展和滤波效应探究　　摘要：本文从数学角度对空间滤波测速的空间滤波效应进行了分析。介绍了空间滤波测速的基本原理，通过研究相对空间频率的功率谱密度函数，从数学角度对图像光强分布的空间滤波效应进行了分析，给出了空间滤波测速的数学解释。空间滤波效应的数学分析对于研究空间滤波器的滤波特性及图像强度的空间分布，从而提高信号质量和测量精度具有较强的指导意义。关键词：空间滤波测速滤波效应功率谱密度函数中图分类号：V475文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）10-0078-031引言20世纪60年代

2、，随着光学与电子学的快速发展，光学测量在科研和工程领域的重要性逐渐凸显，特别是非相干光源如激光的发明使很多以前不存在的光学测量技术得到了发展，其中最典型应用即速度的测量。10为了对速度进行测量，人们提出了很多种类的光学测量方法，可将它们分为非相干和相干技术两种，需要注意的是，这种分类并不意味着它们必然使用了非相干光源或相干光源。相干技术利用了光的振幅和相位信息，如激光多普勒测速法（LDV）[1]，激光斑纹测速法（LSV）[2]等；而非相干技术利用了目标成像的光强信息，两者的区别一般被认为是“图像”和“干涉图样”的

3、区别[3]。在光学发展的早期，非相干技术包括照相法和摄影法，这些方法在测速时简单的对目标的运动轨迹进行观察或摄影，如光电图像追踪技术，后期被称为空间滤波技术（SFV）。在多种非相干和相干技术中，激光多普勒测速法由于其较高的空间分辨率和较高的测量精度而被很多学者进行了广泛的研究，虽然空间滤波法的测量性能与多普勒法是类似的，但一开始并未得到足够的重视，近些年来，空间滤波法以其光学和机械结构简单稳定、光源可选的实用优点而得到了越来越多的重视。本文对空间滤波测速的发展进行了介绍，并从数学角度对空间滤波特性进行了分析。2空

4、间滤波测速的发展及原理2.1空间滤波测速的发展10空间滤波测速的基本概念来源于于航空相机控制技术和红外光学跟踪技术。明确的提出将空间滤波法用于速度测量来自于Ator的研究[4]，他从理论上明确了利用平行狭缝作为空间滤波器进行测速的原理，还从相关性理论的角度对这种方法进行了分析；Gaster[5]则对空间滤波法进行了试验验证，他将其应用于液体流速的研究；Naito和Tsutsumi[6]给出了空间滤波法的理论基础，他们对透射光栅进行了空间域的分析，给出了它的功率谱密度函数和空间透射比，并成功的证明了透射光栅相当于一

5、个空间滤波器，能够用于进行速度测量；为了增强空间滤波器的选择性，Kobayashi和Naito[7]讨论了窄带通滤波器的最优性问题；为了改善低空间频率域内的滤波特性，Tsudagawa[8]等介绍了平行四边形视场，从而使空间滤波器性能得到了改进；Ushizaka和Asakura[9]研究了一种拥有显微镜的光学成像系统空间滤波测速法，并将其应用到在一个直径为130um～3.3mm的细小玻璃管内用于测量液体流速的分布；Aizu[10]等构建了一种差分式透射光栅测速计，它改善了滤波器滤除多余低频成分的能力，并证明了其在

6、显微领域测量流速的有效性；Koyama，Aizu，Borders，Reuter和Kratzer[9]等一些研究人员则将这类空间滤波测速计应用于进行血液流速方面的研究。10在这些研究的基础上，Kobayashi[7]团队将空间滤波探测器进行了拓展，提出了具有空间滤波器功能的光电探测器；Itakura等[6]利用一个液晶元件阵列构建了一种新型的空间滤波器，并实现了两维速度分量的测量；除此之外，其它光学元件也可以用作空间滤波器。Hayashi和Kitagawa[11]利用光纤阵列构建了一种空间滤波器，他们将这种空间滤波

7、器用于进行两维的速度分量和距离的测量，并确定了速度的方向；棱镜光栅是能够作为空间滤波器的光学元件中很有趣的一个例子，据此，科学家们诸如Plesse，Slaaf，Reuter和Talukder等实现了血液流速的测量[9]；Ushizaka[12]研究了透镜光栅的成像和折射特性，证明了它和棱镜光栅的原理相似，同样可以作为空间滤波器。空间滤波测速的原理已经以多种方式应用于运动目标的测量。与双电子束LDV类似，Ballik和Chang[13]从理论和实验方面研究了一种边缘成像技术，在一个运动物体上进行仿光栅照明，而实际上

8、在其前方并没有放置光栅，强度被调制后的散射光由一个光电探测器进行接收，通过其信号进行分析即可实现速度测量；Aizu[9]等对空间滤波法进行了改进，使其能够感测速度的变化程度；Ohno[14]等提出了采用空间滤波探测器来感测两维随机运动的方法，如运动物体的平均速度，尺寸以及数量等；基于光学成像的特性，空间滤波法还可以用于测量光学系统的离焦量，成像距离以及成像位移等。2.2空